BR102017001617A2 - sistema robusto de amplificação da reprodutibilidade, precisão, exatidão das medidas eletrônicas - Google Patents

Abstract

equipamento baseado em um sistema de medição eletrônica que aumenta calculadamente a precisão da medição. equipamento que a precisão é igual à reprodutibilidade e igual à exatidão quando calibrada. equipamento baseado em circuitos eletrônicos de transduções, com alta compensação de derivas térmicas ou não, que são embaraçadas em cavidades de temperaturas controladas. equipamento que as amostras e os sensores podem estar no mesmo ambiente da cavidade ou em outros ambientes com cavidades com temperaturas controladas ou não. equipamentos em que as características dos ambientes, circuitos eletrônicos e sensores permitem que seja aplicado o teorema do limite central pela redução drásticas dos efeitos dos fenômenos sistemáticos.

Description

“SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS” [001] A presente invenção refere-se a um equipamento que reduz calculadamente a incerteza das medições eletrônicas. É um sistema com seus elementos atuando de forma integrada e que é constituído de circuitos eletrônicos de transdução, sensores de medidas eletrônicas, peças metálicas especiais para embarcar os circuitos eletrônicos, peças metálicos com cavidades para serem inseridas (ou não) as amostras para serem medidas, Conversores Analógicos para Digital (CAD) e Conversores Digitais para Analógico (CDA), peças para realizar refrigeração e arrefecimento dos ambientes das cavidades e embarcação, e computadores. É robusto, pois os elementos sensíveis da resposta das medições (eletrônica de transdução) estão em um ambiente selado e com componentes especiais que contribui para tomar independe do meio ambiente e de variações devido a ruídos severos do sistema elétrico, ruídos e situações de ambiente (vibrações, poluição e choque mecânico). O circuito eletrônico tem preferencialmente compensação da deriva térmica. Tem alta reprodutibilidade e precisão que são obtidas com técnicas que fazem o sistema ficar o mais independente de fenômenos sistemáticos. Contribui para alta reprodutibilidade e precisão o ambiente selado que é embarcada a eletrônica de transdução imersa em óleo de alta isolação elétrica e com controle térmico. Também contribui para alta precisão e reprodutibilidade, parte da fonte de alimentação com isolação elétrica da fonte está no ambiente de embarcação. A alta exatidão é obtida através de calibração e do ambiente ser apropriado para calibração com alta precisão e rastreabilidade. A alta precisão, alta reprodutibilidade e alta exatidão são calculadamente obtidas através de software que aplica o teorema da teoria da medida, especialmente o teorema do limite central mais processamento matemático derivado de estudos teóricos e experimentais. A ênfase diferenciada é a alta redução dos efeitos de influências dos fenômenos sistemáticos que permite a aplicação do teorema da estatística aplicada com número adequado e formas de independências de medidas. Os domínios ou técnicas experimentais de redução do ruído randômico correntes na eletrônica aplicada e formas especiais de filtragens inerentes a este equipamento contribuem para o aumento da alta precisão.

[002] A precisão, a reprodutibilidade e a exatidão estão associadas ao estado de arte da tecnologia. O salto da precisão, da reprodutibilidade e da exatidão implica no salto tecnológico. A cultura da precisão iniciou no final do século XIX e cresceu durante a idade da máquina para se tornar uma parte importante da combinação de ciência aplicada com a tecnologia. Foi necessária para a construção de máquina-ferramenta. Máquinas, ferramentas e instrumentos de medição para a fabricação de peças com precisão micrométrica foram os principais responsáveis pela grande evolução das máquinas para produção industrial em escala e arma de repetição. A medição eletrônica e os sistemas de medição eletrônica no atual estágio da sociedade são amplamente os mais aplicados nos setores da indústria, da pesquisa, do transporte, da saúde e do comércio.

[003] A partir da década de oitenta do século passado (1980), representantes da comunidade internacional da ciência e da técnica iniciaram uma nova formatação e conceitos da ciência experimental da medição. Este trabalho está registrado na publicação de 1995 e 2008 (GUM (“Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement”)) e elaborado pelo comitê composto por JCGM (BIPM, IEC, IFCC, ILAC, ISO, IUPAC, IUPAP e OIML).

[004] Os conceitos de incerteza e mensurando são os elementos basilares desta nova compreensão. O mensurando é a grandeza a ser medida e é definida dentro de um grupo de especificações. A exatidão requerida é o resultado da medida com a completa especificação do mensurando. A definição incompleta do mensurando produz incerteza no resultado de uma medição, um componente de incerteza que pode ou não ser significativo para a exatidão requerida. Idealmente, a grandeza realizada para medição deveria ser totalmente consistente com a definição do mensurando.

[005] O resultado da medição da grandeza é corrigido pela diferença entre esta grandeza e o mensurando, de forma a prever qual teria sido o resultado da medição se a grandeza realizada tivesse satisfeito integralmente a definição do mensurando. Quando o resultado da medição da grandeza realizada é corrigido para os efeitos dos fenômenos sistemáticos significativos reconhecidos, este resultado é a melhor estimativa do valor da grandeza que se pretende medir. Sempre acontece uma definição incompleta do mensurando, de forma a não se realizar todas as correções possíveis. Em algum nível, cada mensurando tem uma incerteza “intrínseca” que pode, em princípio, ser estimada. Esta é a incerteza mínima com a qual um mensurando pode ser determinado, e cada medição que alcança tal incerteza pode ser considerado a melhor medição possível do mensurando. Para obter um valor da grandeza em questão com uma incerteza menor requer-se que o mensurando seja definido mais completamente.

[006] O resultado de medição corrigido não é o valor do mensurando, pois a medição da grandeza realizada é imperfeita devido às três condições: (a) a variações aleatórias das observações (efeitos aleatórios), (b) há uma determinação inadequada de correções para efeitos sistemáticos e (c) há um conhecimento incompleto de certos fenômenos físicos (também efeitos sistemáticos). Nem o valor da grandeza realizada nem o valor do mensurando podem ser conhecidos exatamente; tudo o que se pode saber são os seus valores estimados. A incerteza de um resultado de uma medição não é necessariamente uma indicação de o quanto o resultado da medição está próximo do valor do mensurando. Ela é uma estimativa de quanto se está próximo do melhor valor consistente com o conhecimento então disponível.

[007] A exatidão era definida como a diferença do valor medido e o verdadeiro. O valor verdadeiro não existe. Admitem-se em determinadas circunstâncias, que o valor atribuído a uma grandeza por meio de um padrão de referência pode ser tomado como um valor verdadeiro convencional. O padrão de referência é obtido de um padrão primário que é uma definição ideal, e no escopo do estado da arte da ciência. O padrão de referência seria rastreado ao padrão primário para ser usado em uma calibração. Uma expressão utilizada no GUM, é que a “exatidão de medição” é algumas vezes entendida como o grau de concordância entre valores medidos que são atribuídos ao mensurando.

[008] A calibração é a operação que estabelece, sob condições especificadas, uma relação entre os valores e as incertezas de medição fornecidas por padrões de referências e as indicações correspondentes com os valores e as incertezas associadas em um sistema de medição. Estas informações são utilizadas para estabelecer uma relação visando à obtenção de um resultado de medição a partir da indicação no novo sistema de medição.

[009] A calibração nas condições especificadas proporciona que a pequena incerteza corresponda que a proximidade do resultado da medição esteja próxima do mensurando. Outras vezes, acontece a impossibilidade de realizar calibrações em que grupo de condições corresponda à prática. Isto significa que em certas situações não se consegue corrigir ou saber os fenômenos de influência no mensurando (fenômenos sistemáticos e aleatórios). Em processos industriais, de grande ruídos mecânicos, ruídos elétricos e condições ambientais variáveis, pode provocar derivas de medidas (devido aos fenômenos de influências) ou aumento do efeito aleatório no sistema de medição. Estes desvios devidos aos fenômenos sistemáticos e randômicos são incorporados na incerteza. A exatidão poderia ser dada pelo grau de concordância da média de inúmeras medidas com uma calibração ideal: calibração em que o padrão de referência é ideal (que todas as influências são compensadas). O mensurando seria o resultado da medição do padrão. A incerteza padrão é definida pelo desvio médio quadráticos destas medições. Nesta situação, este também é o conceito de precisão.

[010] Além da medição eletrônica ser a mais amplamente utilizada na sociedade hodierna, ela também permite a mais ampla automação de sistemas e nas mais variedades aplicações. Na medição eletrônica, o aumento da precisão é correntemente alcançado através do projeto do circuito, das escolhas criteriosa dos componentes, do layout do circuito na placa e da utilização de filtros eletrônicos adequados. Estes efeitos correspondem na incerteza à variação da medida devido aos fenômenos randômicos. O aumento da reprodutibilidade também é obtido pelos mesmos métodos do aumento da precisão acrescidos da compensação da redução de fenômenos sistemáticos que provocam as variações na variável lida. A reprodutibilidade será a soma das variações das medidas devido aos efeitos randômicos e sistemáticos. A exatidão seria a reprodutibilidade com uma calibração.

[011] Uma das técnicas para reduzir os efeitos sistemáticos é com circuitos com compensação do efeito da temperatura ambiente na resposta do circuito eletrônico. Também a proteção de efeitos devidos a qualidade do ambiente através da eletrônica em um ambiente selado. A redução de efeitos de ruídos mecânicos e de vibração pode ser alcançada por robusto posicionamento das peças e forma de amortecedores. O transiente ou surto elétrico pode ser outra fonte de efeito de fenômeno sistemático. Componentes e circuitos especiais são utilizados para redução de transientes elétricos e surtos elétricos. Uma técnica utilizada para redução de fenômeno sistemático foi os osciladores “oven” (uma placa de circuito eletrônico em um ambiente na forma de um forno de temperatura elevada em relação ao meio ambiente e com valor constante). Estes dispositivos são utilizados para alta reprodutibilidade em sistemas de telecomunicações. São circuitos selados e mantidos em uma temperatura elevada com alta reprodutibilidade. Com a redução dos efeitos de fenômenos sistemáticos nas medições, têm-se a medida mais próxima do mensurando.

[012] O Teorema do Limite Central (TLC) é um desses belos exemplos na natureza, onde uma relação matemática pode ser diretamente associada às observações da vida real. A média e a variância ( X e S2) são calculadas de amostras e a média e a variância (μ and σ2) são calculadas da distribuição de probabilidade. O desvio médio quadrático é a raiz quadrada da variância. A regra de aproximação normal (da amostra com a população) é chamada de Teorema do Limite Central (TLC).

[013] É um teorema e sua comprovação é encontrada na literatura da probabilidade moderna. Na sua comprovação as duas hipóteses requeridas são amostra aleatória e ter uma variância finita. Como um teorema do limite, sua conclusão é cuidadosamente indicado na seguinte forma de limite: A probabilidade da média padronizada da amostra {X - μ / (σ / Vn)} cai em um determinado intervalo e converge no limite para a probabilidade da variação normal padrão Z naquele intervalo. É central no sentido que as médias X de vários conjuntos de amostras concentram-se em torno do valor central, que tende a ser média da população μ.

[014] A equação para variáveis aleatórias independentes tem uma variação média. Grupos de N amostras, em que os grupos amostras têm a mesma variância, a variação da média é dada pela relação σ2(\) = σ2/\, onde σ2(χ) é a variância da amostra e N é o úmero da amostra. A variância da amostra tende para variância da população quando se aumenta a quantidade de amostra. As variâncias de uma amostra tende a ser a mesma para números diferentes de amostras, dentro do limite do valor da variância correspondente ao número de algarismos significativos das diferentes médias correspondentes. Foi determinado em estudo teórico e validação experimental os números de grupos e de medidas.

[015] A grande restrição para aplicar a regra o teorema do limite central (σ2(χ) = σ2/Ν) no sistema de medição é o valor da medida com efeitos de fenômenos sistemáticos. Ao corrigir os efeitos sistemáticos, a estimativa é o melhor valor da grandeza que se pretende medir. Ao calibrar a medição com um padrão se teriam o melhor valor da exatidão convencional. A média de um grupo de medidas seria o valor exato convencional da medida e o desvio médio quadrático desta amostra seria a precisão que neste caso se confunde com a reprodutibilidade.

[016] Nestas situações têm-se as condições de um sistema para ser aplicado o teorema do limite central para aumentar a precisão, a reprodutibilidade e a exatidão. Se existir efeito sistemático não poderia ser aplicado o teorema do limite central, pois o desvio devido a estes efeitos seria incorporado à incerteza e a variação do valor médio (valor da reprodutibilidade quando elimina os efeitos sistemáticos) seria diminuída no número de algarismos significativos e até diferente para medida de um grupo aleatório. Ao CONTRÁRIO do que quando existe somente fenômeno aleatório, quando existe efeito SISTEMÁTICO, à medida que aumenta o número de amostras em diferentes observações, aumenta-se a incerteza e diminui a reprodutibilidade.

[017] A invenção que se apresenta poderá ser melhor visualizada em sua realização preferida de forma meramente ilustrativa e sem nenhum caráter restritivo através dos desenhos que acompanham e integram este relatório onde: [018] A FIGURA 1 representa o diagrama geral do sistema. A FIGURA 2 uma aproximada imagem da peça do bloco metálico que estão a cavidade e peças eletrônicas de transdução e sensores. A FIGURA 3 corresponde o bloco descrito na FIGURA 2 acrescido das células Peltier. A FIGURA 4 o bloco descrito na FIGURA 3 e 4 acrescido dos elementos para dissipar calor das células Peltiers. A FIGURA 5 mostra um corte com transparência de peças para efeitos de compreensão dos elementos embarcados e internos. A FIGURA 6 mostra o mais os blocos metálicos expandidos. A FIGURA 7 tem-se o bloco central e como o mesmo é integrado como os elementos laterais. Na FIGURA 8 mostra os elementos laterais em que mais elementos semelhantes à montante podem ser incorporados.

[019] Neste parágrafo são descritos os elementos da FIGURA 1. Um sistema de instrumentação e controle mantém com alta reprodutibilidade e alta exatidão o ambiente de uma cavidade (1) em um bloco metálico (2). Na cavidade estão embarcados circuitos eletrônicos de transdução (3) e sensores de temperatura (4) imersos em óleo de alta isolação. Estes sensores estão em posições bem determinadas que incluam posições no bloco metálico. O bloco de metal é aquecido ou arrefecido por células Peltiers (5). Uma unidade computacional (6) com um algoritmo de controle e processadores de algoritmo estatístico, um CAD (conversor analógico para digital) (7), um CDA (conversor digital para analógico) (8) e acopladores analógicos de sinais de potência (AASP) (9), fonte de alimentação de precisão (10) e fonte de potência (11). A temperatura é medida com CAD de 16 bits de resolução e de alta precisão podendo ser aumentada. Um controle PID atua através de CDA e AASP e mantém o ambiente do fluido em uma temperatura com alta exatidão e alta precisão. Na medição de temperatura foi utilizado o PT-1000.

[020] A seguir são descritos elementos da FIGURA 2. Em (12) está uma peça central em nelas estão embarcadas as eletrônicas de transdução, parte das fontes e sensores. Em (13) está a peça que fica a montante da peça central que será utilizada em sistema que amostras estão em regime dinâmicos (ou escoamento). Em (14) está a peça ajusante para ser utilizada também em caso de regime semelhante a aplicação da peça (2), de regime dinâmico (ou escoamento). Estas peças de alumínio são fundidas em tubos de aços helicoidais como poderá ser vista em detalhes mais a frente. Os tubos das peças centrais (15) são saídas das fiações de conexões elétricas e eletrônicas e de preenchimento de substâncias especiais, como óleo de alta isolação.

[021] A FIGURA 3 tem-se a peça correspondente a FIGURA 2 acrescidas das pastilhas Peltier (16), (17) e (18).

[022] Na FIGURA 4 podem ser visualizados os elementos aquecedores ou arrefecedores das células Peltier (19). Estes mesmo elementos estão no centro no lado adjacente e no mesmo e a direita do centro. No lado oposto estão outros três elementos semelhantes perfazendo um total de 7 elementos. Em (20) está a tubulação de entrada da amostra quando está escoando.

[023] Na FIGURA 5 pode ser visualizado o ambiente em que são embarcado a eletrônica de trandução (21) que também esta inserido um óleo de alta isolação, em (22) tem-se uma representação de uma ilustação do circuito eletrônico de trandução, como do sensor capacitivo (24). Em (23) tem-se o tubo de aço especial em sua forma helicoidal fundida em alumínio. Em (25) a conexão do tubo de vidro com o tubo de aço. Em (26) um dos fios de conexões eletrônicas com sensores e eletrônica de trandução.

[024] Na FIGURA 6 uma forma expandida de apresentação tem-se em (27) tem-se uma visão da peça a montante da central de forma transparente para efeito de compreensão, em (28) tem-se a peça central e a sua direita a peça a jusante em sua forma aparentemente ompacta (29).

[025] Na FIGURA 7 uma mostra com poderia ser integrada as peças através de um de seus elementos de conexões (30) para peças adjacentes.

[026] Na FIGURA 8 mostra blocos laterais (31) que podem ser repetidos para adequirirem as condições de temperaturas necessárias no sensor.

[027] Os tubos helicoidais e retos de aço (316L) são fundidos em bloco de alumínio. A forma helicoidal do tubo de aço é para ser usada em uma condição especial com o fluido em escoamento e permitir menor comprimento da peça. O uso de óleo nas cavidades (que são colocadas as transduções eletrônicas sensores e fios de conexões) protege a quebra dos elementos eletrônicos de conexões de soldagem devido à condensação de água no ar do ambiente com a ausência do óleo. A cavidade selada em ambiente de alta precisão, reprodutibilidade e exatidão de temperatura é grande contribuinte para redução de fenômenos sistemáticos dos circuitos de transdução eletrônicas e daí sua grande contribuição para alta reprodutibilidade e exatidão. Ainda também para operação em ambientes severos. A característica distinta do circuito eletrônico com compensação de deriva térmica também contribui para a alta precisão, reprodutibilidade e alta exatidão.

[028] No sistema da presente invenção, são realizadas as aquisições de dados em intervalo de tempo determinados e aplicado a regra do limite central. As médias são o valor exato convencional. O desvio médio quadrático dividido pelo número da amostra é nova precisão que coincide com a reprodutibilidade. Para a presente invenção, as medidas realizadas foram a temperatura e a mistura por sensor capacitivo. Para a temperatura, acontece uma realimentação para favorecer a precisão e reprodutibilidade posto que no ambiente da cavidade estejam a eletrônica de transdução, o sensor e amostra. Para o sensor capacitivo que mede qualidade de mistura, acontecem as mesmas características. Outras medições poderão acontecer semelhantes características ou situações que o sensor não esteja no ambiente de alta precisão.

REINVIDICAÇÕES

Claims (16)

1) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, caracterizado por sistema de medição eletrônica com utilização de peças metálicas que possuem cavidades em que circuitos eletrônicos de transdução são embarcados de forma selada;

2) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por elementos de fontes de alimentação de alta reprodutibilidade são embarcadas nas cavidades metálicas e suas fixações protegem de vibração;

3) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por circuitos eletrônicos das cavidades são imersas em óleo que têm a propriedade de alta isolação elétrica;

4) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por óleo que são imersos os circuitos eletrônicos têm alta inatividade química e que estes circuitos eletrônicos possuam o máximo de compensação de temperatura;

5) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por cavidades têm temperaturas controladas;

6) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por eletrônicas de tradução e de parte da fonte de alimentação estão na cavidade de temperatura controlada;

7) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por o sensor e a amostra a ser medida podem ou não estar no ambiente da cavidade de temperatura controlada;

8) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por características acima os efeitos de fenômenos sistemáticos na incerteza são praticamente desprezadas;

9) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por reprodutibilidade que se torna praticamente igual a precisão de diferentes amostras;

10) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por um número bem determinado de medidas eletrônicas são adquiridas por unidade tipo computador ou processador digital;

11) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por o valor médio é o valor exato convencional quando houver uma calibração;

12) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por que a partir deste número de medidas são calculadas as médias e o desvio quadrático;

13) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por a nova precisão pode ser calculada da regra do limite central a partir das vários grupos de medidas e do número de amostras do grupo;

14) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por a nova precisão é o desvio médio quadrático dividido pela raiz quadrada do número de medidas;

15) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por que quando houver calibração o valor exato é a média, com número de algarismos significativos dado pela precisão;

16) SISTEMA ROBUSTO DE AMPLIFICAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE, PRECISÃO, EXATIDÃO DAS MEDIDAS ELETRÔNICAS, conforme a reivindicação 1, caracterizado por poder ser usado outros sensores em outros espaços como outra cavidade de embarcação ou não.